КОТЕЛ ПАРОВОЙ С ВИХРЕВОЙ СДВОЕННОЙ ТОПКОЙ Российский патент 2010 года по МПК F23C3/00 

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к устройствам для сжигания топлива, в частности, для выработки насыщенного, перегретого пара или горячей воды, за счет сжигания измельченных растительных отходов, лузги подсолнечника, шелухи пшеницы, гречихи, овса и других сельскохозяйственных культур, включая резаную солому.

Известна вихревая топка, при помощи которой осуществляется сжигание растительных отходов. См. патент РФ №2228489 «Вихревая топка». Известная вихревая топка содержит, по меньшей мере, одну вихревую камеру сгорания и одну камеру дожигания, соединенные газоперепускным окном, которое снабжено направленным в сторону вихревой топки сгорания аэродинамическим выступом с размером 100…200 мм, отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к ее глубине составляет 2…6, а отношение поперечного размера вихревой камеры сгорания к диаметру газоперепускного окна составляет 1…5, при этом эжектор подачи топлива оканчивается диффузором с выходом, расположенным на фронтовой стенке вихревой камеры сгорания на расстоянии не менее 100 мм от пода, наклоненным вниз и ориентированным под корень группы первых сопел дутья, установленных вдоль нижней образующей вихревой камеры сгорания, причем первые сопла дутья направлены вверх под углом 30°…45° и ориентированы под корень второй группы сопел дутья, расположенных на задней стенке вихревой камеры сгорания и направленных по касательной к аэродинамическому выступу газоперепускного окна, кроме того, отношение площадей поперечных сечений эжектора подачи топлива и каждой группы сопел дутья равно 1,25…2, а отношение скоростей дутья в них соответственно равно 0,8…0,5, а также газовую горелку.

По замыслу авторов известного устройства упрощается конструкция котла, повышается эффективность сжигания топлива, появляется возможность глубокого регулирования мощности топки.

К недостаткам известной вихревой топки можно отнести ее недостаточную эффективность, в связи с необходимостью тщательной подготовки топлива до заданного фракционного состава. При попадании большого количества топлива другого размера нарушается аэродинамика, прекращается процесс горения. При сжигании нефракционного топлива происходит постоянный вынос большей части недогоревших частиц из камеры сгорания в камеру дожигания и их последующее осаждение и спекание золы в экономайзере.

Известна более совершенная технология сжигания топлива (см. патент РФ №2230980 «Способ подачи вторичного дутья и топочное устройство (варианты)» - прототип), осуществляемая при помощи топочного устройства вихревого типа. Топочное устройство содержит питатель топлива, систему первичного дутья и, по меньшей мере, одно газоперепускное окно с соплами вторичного дутья, которые направлены в топку навстречу выходящему потоку и ориентированы тангенциально к контуру газоперепускного окна. При этом газоперепускное окно имеет форму усеченного конуса с полууглом раскрытия 0°…35° и отношение длины к диаметру выходного сечения, равное 0,2…2,0, причем сопла вторичного дутья расположены в выходном сечении газоперепускного окна. Сопла вторичного дутья установлены тангенциально в выходном сечении газоперепускного окна на воздуховоде, расположенном по оси газоперепускного окна. Сопло вторичного дутья выполнено кольцевым с расположенными в кольцевом зазоре закручивающими лопатками и/или с закручивающей улиткой для подвода дутья. Выходящий поток отдельными струями вторичного дутья продувается в топку.

К недостаткам известного топочного устройства можно отнести низкую эффективность сжигания топлива и накопление несгоревшего до конца топлива в золоуловителях установки с возможным последующим возгоранием, приводящим к возникновению пожара или взрывам. Вдувание вторичного дутья отдельными струями или вдувание вторичного дутья через кольцевой зазор (кольцевой экран) в полость газоперепускного окна, создающий веерообразный экран перед выходом газов из газоперепускного окна, приводит к хорошему хаотичному перемешиванию потока, как в полости камеры сгорания топлива, так и непосредственно в полости газоперепускного окна, но не предотвращает вынос недогоревших частиц топлива из топки.

Задачей предлагаемого изобретения является устранение недостатков прототипа, в частности создание условий для более полного и стабильного сгорания частиц топлива, предотвращение накопления не до конца сгоревших частиц, возможность регулирования нагрузки и, как следствие, повышение эффективности.

Поставленная задача достигается тем, что котел снабжен кольцевым завихрителем, выполненным в виде кольцевого канала вторичного дутья, образованного обечайкой, смонтированной по периметру внутренней поверхности корпуса газоперепускного окна в сторону камеры сгорания топлива, создающего ограничительный воздушный экран и связанного при помощи распределительного воздушного канала с тангенциально смонтированным патрубком подачи воздушного дутья.

Обечайка и цилиндрический корпус газоперепускного окна, образующие кольцевой канал, смонтированы по отношению друг к другу концентрично.

Обечайка и цилиндрический корпус газоперепускного окна, образующие кольцевой канал, смонтированы по отношению друг к другу со смещением с образованием зазоров, различных по величине на 15…30%.

Тангенциальное соединение патрубка вторичного дутья с распределительным каналом по отношению к цилиндрической корпусу газоперепускного окна и обечайки выполнено с возможностью закручивания потока вторичного дутья как по часовой стрелке, так против часовой стрелки.

Ширина распределительного канала выполнена равной 0,3…0,8 ширины газоперепускного окна.

Площадь выходного поперечного сечения кольцевого воздушного канала по отношению к площади сечения газоперепускного окна выполнена в соотношении, равном 0,01…0,3 к 1,0.

На внутренней поверхности корпуса газоперепускного окна выполнены смонтированные под углом в 5°…45° направляющие.

Новизной предложенного котла является наличие кольцевого завихрителя потока вторичного дутья, создающего ограничительный воздушный экран при помощи кольцевого канала, образованного корпусом окна и обечайкой, смонтированной по периметру внутренней поверхности корпуса газоперепускного окна в сторону камеры сгорания топлива, связанного при помощи дополнительного распределительного воздушного канала с тангенциально смонтированным патрубком подачи воздушного дутья.

Так, наличие кольцевого завихрителя позволяет предотвратить прохождение недогоревших крупных частиц топлива через газоперепускное окно из вихревой топки в камеру дожигания топлива, поскольку выходящий из завихрителя с заданной скоростью кольцевой воздушный поток ограничивает попадание недогоревших частиц топлива в газоперепускное окно, обеспечивая тем самым более полное сгорание топлива в вихревой топке и более эффективный нагрев газов.

Дополнительные признаки, характеризующие предлагаемое изобретение, такие как концентричный монтаж обечайки по отношению к цилиндрическому корпусу газоперепускного окна с образованием между ними кольцевого воздушного канала с равными по периметру зазорами или их монтаж по отношению друг к другу со смещением, с образованием различных по величине зазоров на 15…30%, тангенциальное соединение патрубка вторичного дутья с образованным обечайкой и корпусом окна кольцевым каналом с возможностью закручивания потока вторичного дутья как по часовой стрелке, так против часовой стрелки, - являются признаками, дополняющими конструктивное исполнение основных признаков, которые направлены на достижение поставленной изобретением задачи.

Признаки, связанные с геометрическими размерами по ширине дополнительного распределительного канала, выполненного равным 0,3…0,8 ширины газоперепускного окна, по площади выходного сечения дополнительного кольцевого воздушного канала по отношению к площади сечения кольцевого завихрителя, выполненной в соотношении, равном 0,01…0,3 к 1,0, и выполнение направляющих в корпусе газоперепускного окна, смонтированных под углом в 5°…45°, позволяют получить заданные параметры сгорания топлива и последующей эффективной передачи тепла.

Ограничительный экран потока воздуха в зависимости от вида топлива его фракционности, влажности, веса и др. под действием тангенциальной подачи в кольцевой воздушный канал может вращаться либо по ходу вращения вихря сгораемого топлива, либо в обратном направлении. Так, при крупных или тяжелых частицах сгораемого топлива, когда возможен их вылет сквозь ограничительный экран, вращение ограничительного экрана выполняют по ходу вращения вихря горящего топлива. При мелких, легко сгораемых частицах топлива вращение ограничительного экрана может быть и противоположным вращению вихря сгораемого топлива, образуя дополнительное приграничное к вихрю вращение частиц.

На фиг.1 схематично изображен продольный разрез котла с вихревой сдвоенной топкой.

На фиг.2 схематично изображен поперечный разрез котла по вихревой сдвоенной топке и камеры дожигания топлива.

На фиг.3 показано газоперепускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока по часовой стрелке.

На фиг.4 показано газоперепускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока по часовой стрелке в разрезе при виде сбоку.

На фиг.5 показано газовыпускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока против часовой стрелки.

На фиг.6 показано газовыпускное окно с тангенциальной подачей воздушного потока против часовой стрелки в разрезе при виде сбоку.

На фиг.7 схематично показано движение воздушного потока по дополнительному распределительному воздушному каналу.

На фиг.8 схематично показано газоперепускное окно с выходом воздушного потока в виде кольцевого воздушного ограничительного экрана в разрезе при виде сбоку.

Предлагаемый котел состоит из сдвоенных вихревых топок 1 и 2, смонтированных по обе стороны от камеры дожигания топлива 3 и ограниченных боковыми топочными панелями 4 и 5 и разделительными топочными экранами 6 и 7. В разделительных экранах выполнены газоперепускные окна 8 и 9, соединяющие топки 1 и 2 с камерой дожигания топлива 3. В конвективной части котла смонтированы верхний барабан 10 и нижний барабан 11, связанные с конвективным пучком труб 12. Топливо в вихревую топку подается шлюзовым питателем 13 через узел ввода 14. В объемах вихревых топок 1 и 2 смонтированы дутьевые сопла 15, 16, 17, направляющие и закручивающие топливовоздушный поток. Каждое газоперепускное окно 8 и 9 снабжено кольцевым завихрителем, выполненным в виде обечайки 18, смонтированной по периметру внутренней поверхности корпуса 19 с зазором 20, который может быть как одинаковым по всему периметру корпуса окна, так и отличающимся на величину в 15…30%. К кольцевому зазору 20, образующему кольцевой воздушный канал, при помощи воздуховода 21, патрубка 22 и распределителя 23 осуществляется подвод вторичного дутья. Барабаны 10 и 11 с топочными панелями 4 и 5 связаны системой питательных и пароотводящих трубопроводов 24.

Предлагаемый котел работает следующим образом.

Топливо из бункера при помощи шлюзового питателя 13 и воздушного потока эжекционно через узел ввода 14 подается в разожженные вихревые топки 1 и 2, где подхватывается воздушным потоком, истекающим из сопел 15, 16, 17, и закручивается во вращающийся вихрь. Одновременно с подачей топливовоздушной смеси при помощи воздуховода 21, патрубка 22 и дополнительного распределительного канала 23, через канал 20, образованный обечайкой 18 и корпусом 19, создается ограничительный воздушный экран, выходящий со скоростью 10…30 м/с, который отбрасывает не до конца сгоревшие частицы топлива обратно в вихревую топку.

Наиболее крупные частицы топлива, поднявшись вверх, стремятся опуститься вниз. Однако более мощный по толщине стенки воздушный кольцевой поток, выходящий из кольцевого канала, ориентированный по месту вылета недогоревших частиц топлива, вновь вовлекает их во вращательное движение, организованное в вихревой топке. Под воздействием избыточного давления, создаваемого воздушными и топливовоздушными потоками, наиболее легкая часть несгоревшего топлива поступает в камеру дожигания топлива 3, где и догорает. Нагретые до температуры 800°…950° газы поступают в конвективный пучок труб 12, где отдают тепло через стенки труб теплоносителю.

Барабаны 10 и 11 связаны с топочными панелями 4 и 5 системой питательных и пароотводящих трубопроводов 24, образуя единый водяной контур естественной циркуляции воды. Общая камера дожигания топлива 3 сглаживает возникающие в топках пульсации температуры, позволяет плавно регулировать тепловую нагрузку котла, а пароперегреватель обеспечивает заданную температуру пара.

Несгоревшие зольные остатки и спеки песка и земли, случайно попавшие с топливом, удаляются из вихревых топок при шуровках во время плановых очисток котла.

Воздушный экран при осуществлении вторичного дутья постоянно ограничивает (отбрасывает) недогоревшие частицы топлива от газоперепускного окна, направляя вихревой поток горящего топлива по кольцевой траектории вращения, увеличивая тем самым время горения топлива и предотвращая его спекание и осаждение на стенках вихревой топки. Поскольку обечайка 18 может быть смонтирована по отношению к корпусу окна неконцентрично с разными зазорами сверху и снизу, то по большему по величине зазору подается более мощный воздушный поток, который ориентированно устанавливается при изготовлении котла в месте преимущественного выхода недогоревших частиц из вихря.

В настоящее время на предлагаемый котел разработана конструкторская документация, изготовлено несколько опытных образцов, проведены испытания, получены положительные результаты. Принято решение о производстве котлов, осуществляющих предлагаемый способ.

Изобретение относится к теплоэнергетике, в частности к устройствам для сжигания топлива с выработкой насыщенного, перегретого пара или горячей воды за счет сжигания измельченных растительных отходов. Технический результат при использовании изобретения заключается в создании условий для более полного сгорания топлива, предотвращении накопления не до конца сгоревших частиц топлива и возможности регулирования нагрузки. Указанный технический результат достигается в котле паровом с вихревой сдвоенной топкой, включающем питатель топлива, систему первичного дутья и газоперепускное окно с кольцевым соплом вторичного дутья, направленным в вихревую топку навстречу выходящему потоку, причем котел снабжен кольцевым завихрителем, выполненным в виде кольцевого канала - сопла вторичного дутья, создающего ограничительный воздушный экран, образованного дополнительной обечайкой, смонтированной по периметру внутренней поверхности корпуса газоперепускного окна в сторону вихревой топки, и связанного при помощи дополнительного распределительного воздушного канала с тангенциально смонтированным патрубком подачи воздушного дутья. 6 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Котел паровой с вихревой сдвоенной топкой, включающий питатель топлива, систему первичного дутья и газоперепускное окно с кольцевым соплом вторичного дутья, направленным в вихревую топку навстречу выходящему потоку, отличающийся тем, что котел снабжен кольцевым завихрителем, выполненным в виде кольцевого канала - сопла вторичного дутья, создающего ограничительный воздушный экран, образованного дополнительной обечайкой, смонтированной по периметру внутренней поверхности корпуса газоперепускного окна в сторону вихревой топки и связанного при помощи дополнительного распределительного воздушного канала с тангенциально смонтированным патрубком подачи воздушного дутья.

2. Котел по п.1, отличающийся тем, что обечайка и цилиндрический корпус газоперепускного окна, образующие кольцевой канал-сопло, создающее ограничительный воздушный экран, смонтированы по отношению друг к другу концентрично.

3. Котел по п.1, отличающийся тем, что обечайка и цилиндрический корпус газоперепускного окна, образующие кольцевой канал-сопло, создающее ограничительный воздушный экран, смонтированы по отношению друг к другу со смещением и образованием между ними зазоров, различных по величине на 15÷30%.

4. Котел по п.1, отличающийся тем, что тангенциальное соединение патрубка вторичного дутья с дополнительным распределительным каналом по отношению к цилиндрическому корпусу газоперепускного окна и обечайки выполнено с возможностью закручивания потока вторичного дутья как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.

5. Котел по п.1, отличающийся тем, что ширина дополнительного распределительного канала выполнена равной 0,3÷0,8 ширины газовыпускного окна.

6. Котел по п.1, отличающийся тем, что площадь выходного поперечного сечения дополнительного кольцевого воздушного канала-сопла по отношению к площади сечения газоперепускного окна выполнена в соотношении, равном 0,01÷0,3:1,0.

7. Котел по п.1, отличающийся тем, что на внутренней поверхности корпуса газоперепускного окна выполнены направляющие, смонтированные под углом в 5÷45° к его внутренней поверхности.